緊鄰地鐵車站超深基坑變形控制及實(shí)例分析

蘇子將，陳俊馳，劉 波

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.中電建重慶勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 401329)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,我國(guó)正處于以城市軌道交通建設(shè)為主體的地下空間大規(guī)模開(kāi)發(fā)時(shí)期,大規(guī)模建設(shè)必然造成線路交叉甚至多條線交叉;而臨近既有線或與既有線交叉時(shí)不可避免地面臨保護(hù)軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)的困難[1-4],對(duì)深基坑支護(hù)也提出了更高的要求[5-6]。

本文以臨近既有車站的某軌道交通車站超深基坑為依托,對(duì)基坑開(kāi)挖引起既有地鐵車站的變形特性進(jìn)行分析研究。該超深基坑與既有車站近距離、全車站平行,施工難度和風(fēng)險(xiǎn)極大,通過(guò)開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)、支撐系統(tǒng)加強(qiáng)、降水止水結(jié)合和綜合利用各種既有線沉降控制措施,成功實(shí)現(xiàn)了基坑開(kāi)挖期間既有線的安全運(yùn)營(yíng),同時(shí)為國(guó)內(nèi)與既有線平行布置的超深軌道交通車站基坑提供了工程實(shí)例的支撐,可供借鑒和參考。

2 工程概況及開(kāi)挖方案

2.1 工程概況

某新建軌道交通18號(hào)線騾馬市站為地下6層、雙柱三跨島式換乘車站,南北向布置;新建10號(hào)線車站為地下5層,東西向布置;既有1號(hào)線為地下2層雙柱島式車站,南北向布置,既有4號(hào)線東西向布置。

新建18號(hào)線車站明挖基坑長(zhǎng)182.6 m,寬28.4 m,深約45.0 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐方案,降排水采用坑外管井降水結(jié)合坑內(nèi)明排方案;新建10號(hào)線車站主體基坑長(zhǎng)165.8 m,寬35.2 m,深約35.0 m。18號(hào)線車站與既有1號(hào)線車站平行布置,且車站基坑距離既有1號(hào)線車站側(cè)墻距離僅5.3 m。車站平面及立面關(guān)系詳見(jiàn)圖1,圖2。

場(chǎng)地地層自上而下依次為:填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、稍密—密實(shí)卵石,強(qiáng)—中風(fēng)化泥巖;其中基坑底位于中風(fēng)化泥巖層中,既有車站結(jié)構(gòu)底板位于卵石層及粉細(xì)砂層,地下水位主要為卵石層中潛水,水位埋深為地面下2 m～5 m。

2.2 工程重難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

既有1號(hào)線車站底板埋深約16.5 m,側(cè)壁土層為填土、粉質(zhì)黏土、稍密—中密卵石層,且底板下部分區(qū)域存在約2.0 m粉細(xì)砂層,超深超近距離基坑的開(kāi)挖對(duì)既有線沉降影響非常敏感;新建車站基坑深度約45.0 m,深于既有車站底板約28.5 m,且既有線基坑底約13 m范圍內(nèi)的泥巖具有遇水軟化、崩解,強(qiáng)度急劇降低,屬軟質(zhì)巖、弱膨脹巖。因1號(hào)線車站已投入運(yùn)營(yíng),如果施工不當(dāng),就可能引起既有車站的結(jié)構(gòu)破壞、過(guò)大沉降或不均勻沉降,甚至影響既有線的安全運(yùn)營(yíng)。

為保證既有線結(jié)構(gòu)安全及變形滿足要求,施工時(shí)采取多項(xiàng)措施:基坑開(kāi)挖前對(duì)既有1號(hào)線車站兩側(cè)對(duì)稱、階梯式管井降水,且根據(jù)地質(zhì)情況尤其是粉細(xì)砂層進(jìn)行一井一設(shè)計(jì),基坑與既有車站之間的土層采取預(yù)注漿;基坑開(kāi)挖按照要求分部開(kāi)挖,及時(shí)施作支護(hù)措施,對(duì)既有車站底板下粉細(xì)砂層采取跟蹤注漿;由于風(fēng)化巖層遇水軟化、具有膨脹性,且地層中存在基巖裂隙水,因此各工序需緊湊施工;同時(shí)對(duì)既有車站及區(qū)間采用自動(dòng)化24 h監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)布點(diǎn)以3倍基坑深度范圍作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域,并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 支護(hù)方案

根據(jù)新建車站與既有線車站的相對(duì)關(guān)系以及計(jì)算結(jié)果,支護(hù)方案采用樁+支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式;為加強(qiáng)支撐體系的水平向剛度,有效減小既有線基底標(biāo)高位置、土巖交界面位置的側(cè)向變形,第一、三、五道支撐采用混凝土支撐,其余四道支撐采用鋼支撐結(jié)構(gòu),并在中部設(shè)置鋼格構(gòu)立柱。

2.4 開(kāi)挖方案

土方開(kāi)挖遵循水平分段、豎向分層,臺(tái)階式、快速開(kāi)挖、快速支撐、隨挖隨撐、嚴(yán)禁超挖的原則,充分利用“時(shí)空效應(yīng)”,減小變形量(見(jiàn)圖3)。

新建基坑開(kāi)挖采用縱向分段、豎向分層+垂直開(kāi)挖方案,分流水段進(jìn)行作業(yè)。具體開(kāi)挖方案為:18號(hào)線由北向南分層逐步開(kāi)挖施工并及時(shí)施作鋼支撐與混凝土支撐;當(dāng)不能利用馬道出土后,18號(hào)線土方采用電抓斗進(jìn)行垂直土方開(kāi)挖,形成臺(tái)階開(kāi)挖,由南北向中部開(kāi)挖,基坑開(kāi)挖至基坑墊層以上300 mm時(shí),進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)收并人工開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 既有線變形控制

3.1 既有線結(jié)構(gòu)調(diào)查

施工前對(duì)既有線的現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估,既有線結(jié)構(gòu)頂、底板及側(cè)墻未出現(xiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度及澆筑質(zhì)量均正常。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

3.2.1 計(jì)算模型

為預(yù)測(cè)18號(hào)線開(kāi)挖對(duì)既有1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)的變形,運(yùn)用midas GTS軟件,建立三維地層-結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算基坑開(kāi)挖工況,計(jì)算模型如圖4所示。

3.2.2 基坑開(kāi)挖數(shù)值分析結(jié)果

基坑開(kāi)挖施工時(shí)既有線結(jié)構(gòu)沉降云圖如圖5所示,結(jié)構(gòu)沉降最大值約為4.0 mm。

3.2.3 降水工況數(shù)值分析結(jié)果

運(yùn)用GeoStudio軟件計(jì)算降水工況下滲流場(chǎng)變化造成的土體變形。降水施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)影響以沉降變形為主,既有線結(jié)構(gòu)沉降云圖如圖6所示,既有線結(jié)構(gòu)沉降約2.8 mm。

綜合考慮基坑開(kāi)挖,降水施工對(duì)既有線結(jié)構(gòu)沉降分析,既有線結(jié)構(gòu)沉降為6.8 mm。

3.3 變形控制指標(biāo)

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》及《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》,本工程施工期間既有線控制指標(biāo)如表1所示。

表1 城市軌道交通既有線監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)

4 既有線沉降變形控制關(guān)鍵技術(shù)

既有線的變形控制技術(shù)為一個(gè)動(dòng)態(tài)控制過(guò)程,從前期的既有線監(jiān)測(cè)到最終的使用完成均包含在既有線的沉降控制范圍之內(nèi)。

4.1 降水方案設(shè)計(jì)

本工程既有車站基坑距離新建車站的基坑約為5.3 m,降水對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響主要為地層中水位下降引起有效應(yīng)力增加,從而引起的地層沉降,以及降水施工時(shí)由于卵石層中填充砂及粉細(xì)砂層流失導(dǎo)致的沉降,另外因既有線兩側(cè)不平衡的水壓引起的水平位移等。

根據(jù)卵石層的密實(shí)程度、粉細(xì)砂層埋深及厚度等地質(zhì)情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)確定各層土層滲透系數(shù)、單井結(jié)構(gòu)、含砂率試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際模擬,考慮1號(hào)線、4號(hào)線車站施工過(guò)程中降水情況及周邊建構(gòu)筑物降水歷史情況計(jì)算預(yù)估水位下降引起的地層沉降。

4.2 降水與局部止水結(jié)合

由于本工程基坑工程與既有車站相對(duì)關(guān)系的特殊性,方案設(shè)計(jì)時(shí)綜合對(duì)比了咬合樁止水帷幕方案及坑外降水加局部止水方案。依據(jù)地勘報(bào)告,按照泥巖埋深30 m驗(yàn)算,止水方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平力,比坑外降水局部止水方案的荷載約大60%,土建投資增加近千萬(wàn)元。同時(shí)止水方案存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載明顯增大,同時(shí)高水頭自始至終都影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)和深基坑的安全穩(wěn)定。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)及理論分析,優(yōu)化降水井方案,細(xì)化巖土交界面止、排水措施,可保證既有線結(jié)構(gòu)變形在可控范圍內(nèi),同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素,最終確定采用坑外降水加局部止水方案。

本工程地下水主要為卵石層中潛水,巖層中存在基巖裂隙水。由于新建車站基坑深度最深為45 m,泥巖層埋深約30 m,根據(jù)地區(qū)以往經(jīng)驗(yàn),采用管井降水時(shí)卵石層與巖層交界面存在降水盲區(qū),且?guī)r層中存在裂隙水,因此在基底至巖層交界面以上2 m高度的范圍設(shè)置樁間模筑混凝土,即上部卵石層中潛水以管井降水,下部交界面位置及基巖裂隙水采用止水的組合方案,既可以節(jié)約投資,又有效減少了交界面土體流失引起的沉降。

4.3 基坑支撐布置

新建18號(hào)線車站基坑與既有1號(hào)線平行,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁+支撐結(jié)構(gòu),根據(jù)地層分布及既有線與基坑位置關(guān)系,豎向采用七道支撐,其中第一道支撐、第三道支撐(既有結(jié)構(gòu)底板位置標(biāo)高),第五道支撐(卵石與巖層交界面)采用混凝土支撐,其余采用鋼支撐,同時(shí)為加強(qiáng)支撐剛度,基坑中間采用格構(gòu)柱及縱向連系梁減小支撐跨度。采用中間格構(gòu)柱后可提高支撐軸向承載力。

根據(jù)施工過(guò)程中收集的支撐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),鋼支撐最大軸力實(shí)測(cè)值一般小于計(jì)算支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值,而混凝土支撐最大實(shí)測(cè)值受溫度及測(cè)量方式影響變化較大。

4.4 既有車站側(cè)部土體加固注漿

新建車站與既有結(jié)構(gòu)間土體寬度最近約為5.3 m,主要為粉質(zhì)黏土、稍密、中密卵石層以及粉細(xì)砂層,采用旋挖鉆孔施工時(shí)對(duì)中間夾土有一定的卸載、擾動(dòng)。為減少松散土體的不利影響,同時(shí)提高土體物理常數(shù),對(duì)中間夾土采取預(yù)注漿加固措施,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況采用地面注漿方式加固既有車站側(cè)部土體,注漿孔沿車站縱向布置1排,縱向間距3 m,采用φ48 mm袖閥管分2次鉆進(jìn)注漿,注漿材料采用水灰質(zhì)量比為0.8∶1的水泥漿,注漿壓力0.2 MPa～0.4 MPa。

4.5 既有車站底板注漿

既有車站結(jié)構(gòu)底板下部分區(qū)域存在約2.0 m厚粉細(xì)砂層,新建基坑開(kāi)挖以及降水時(shí),對(duì)既有線沉降影響較大,因此基坑開(kāi)挖接近既有結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高時(shí),對(duì)既有結(jié)構(gòu)底板下砂層進(jìn)行填充式水泥漿注漿,注漿管采用φ108 mm鋼花管,注漿材料采用水灰質(zhì)量比為1∶1的水泥漿,正式注漿前進(jìn)行試驗(yàn)確定注漿參數(shù)。注漿鉆孔施工時(shí)需嚴(yán)格按照要求控制鉆孔角度,鉆孔與既有結(jié)構(gòu)底板距離不小于1.0 m,注漿時(shí)采用間歇式注漿且加強(qiáng)監(jiān)測(cè),避免注漿施工導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)上浮。

文化自信是主體對(duì)自身文化價(jià)值的充分肯定和積極踐行。鄉(xiāng)土文化自信是指鄉(xiāng)村社會(huì)主體對(duì)鄉(xiāng)村文化的一種信心、信念，是鄉(xiāng)民對(duì)傳統(tǒng)文化價(jià)值和自身理想信念的認(rèn)可，是對(duì)所屬群體文化生命力及其發(fā)展前景的肯定，是一種發(fā)自內(nèi)心的文化自信心和自豪感[3]。鄉(xiāng)土文化自信不是盲目的自信，而是源于對(duì)優(yōu)秀鄉(xiāng)土文化的自覺(jué)和自醒，根基在于對(duì)鄉(xiāng)土文化價(jià)值的認(rèn)同。

4.6 施工監(jiān)測(cè)信息化

基坑工程施工時(shí),加強(qiáng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地下水、周邊建構(gòu)筑的監(jiān)測(cè),尤其是對(duì)降水含砂量的檢測(cè),含砂率應(yīng)小于1/100 000,其中兩車站間降水井的含砂率要求小于1/200 000,一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施,盡量減少地層損失引起的地面沉降。

利用數(shù)值模擬分析評(píng)估基坑降水、開(kāi)挖全過(guò)程的施工風(fēng)險(xiǎn),利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和反分析,確保車站基坑的變形在安全控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。利用全自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工復(fù)核實(shí)現(xiàn)新建基坑與已運(yùn)營(yíng)地鐵狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與變形預(yù)警。

5 監(jiān)控量測(cè)

針對(duì)既有線的變形制定監(jiān)控量測(cè)方案,對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的整體沉降進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控量測(cè),用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。為不影響列車運(yùn)營(yíng),新建基坑實(shí)施時(shí)對(duì)既有線的影響范圍內(nèi)布置了自動(dòng)化監(jiān)測(cè),截止2022年12月,新建基坑已開(kāi)挖完成并完成地下4層—6層主體結(jié)構(gòu)施工。除個(gè)別管井內(nèi)因水泵多次更換造成局部沉降達(dá)到7.5 mm外,其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)既有線結(jié)構(gòu)底板最大沉降約為6.7 mm,如圖7所示[6]。

6 結(jié)論

本文以某軌道交通18號(hào)線四線換乘站為工程背景,研究分析了緊鄰既有車站的超深基坑變形控制關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)工程類比、數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)施工總結(jié),得出如下主要結(jié)論:

1)利用樁+支撐的支護(hù)形式,通過(guò)加強(qiáng)支撐剛度,在混凝土支撐與鋼支撐及豎向格構(gòu)柱的保護(hù)下進(jìn)行施工的開(kāi)挖方案,是超深基坑開(kāi)挖既有線變形控制的基礎(chǔ)。

2)采用優(yōu)化的降水設(shè)計(jì),降水與止水排水結(jié)合方式保持開(kāi)挖工作面干燥的同時(shí),大大減少了卵石間填充細(xì)顆粒尤其是既有結(jié)構(gòu)下的粉細(xì)砂地層損失而引起的沉降,同時(shí)采用既有結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱降水是確保既有線變形安全可控的主要保障。

3)對(duì)基坑與既有結(jié)構(gòu)間的夾土、既有結(jié)構(gòu)底板下粉細(xì)砂層進(jìn)行填充注漿加固,是減少基坑開(kāi)挖時(shí)的既有結(jié)構(gòu)沉降控制的重要手段。

4)嚴(yán)格按照先支撐、再開(kāi)挖、同步監(jiān)測(cè)的信息化施工,是既有結(jié)構(gòu)沉降控制的重要保障。

5)針對(duì)L型新建車站基坑陽(yáng)角部分采用蓋挖法施工,是確保既有結(jié)構(gòu)沉降控制的輔助手段。

通過(guò)綜合采取各種既有線沉降控制技術(shù),使得本工程既有線的相關(guān)沉降控制指標(biāo)均在控制指標(biāo)之內(nèi),保障了既有線的安全運(yùn)營(yíng),從而保證了整個(gè)工程項(xiàng)目得以順利完成。施工中支撐軸力與計(jì)算值有一定的差異,支撐材料及支撐剛度的不同對(duì)基坑變形影響較大,不同地層的止水與降水方案、大型超深基坑在陽(yáng)角位置的變形等需進(jìn)一步研究。本工程緊鄰既有線超深基坑的成功實(shí)施可為類似工程提供技術(shù)參考和借鑒。